Новая теория о темной материи и темной энергии

Ни темная материя, ни темная энергия не могут наблюдаться непосредственно, но вместо этого известно, что они существуют из-за их воздействия на объекты вокруг них. Например, не излучая и не отражая свет, темная материя может изгибать свет вокруг себя.

Ровно сто лет назад, вечером 1918 года, известный физик Альберт Эйнштейн записал идею на страницах своей тетради. Эта идея может стать ключом к решению одной из самых грандиозных и самых неуловимых загадок во всей физике: темной материи и темной энергии. Вместе они составляют более 95% Вселенной, работая невидимо, чтобы охватить галактики и одновременно продолжая расширять нашу вселенную с ускоряющейся скоростью, отталкивая нас от близлежащих звездных систем и в будущее с огромными разрывами.

Идея, о которой писал Эйнштейн, была адаптация к общей теории относительности, когда пустое пространство станет отрицательной массой, движущейся под действием силы тяжести. Эти отрицательные массы будут населять межзвездное пространство. Но эта идея возникла как способ объяснить космологическую константу - или то, что Эйнштейн назвал величайшей ошибкой своей жизни. В то время, когда была создана космологическая постоянная, было широко распространено мнение, что вселенная была статичной. То есть он не расширялся и не сжимался. Но если это было правдой, то что-то должно было противостоять гравитации, чтобы не дать вселенной упасть на себя. Так родилась космологическая постоянная с антигравитационными свойствами.

Сегодня мы понимаем, что вселенная не является статичной и продолжает расширяться, поэтому космологическая константа приобрела новое значение. Она представляет собой темную энергию в Лямбда-CDM, нашей нынешней и наиболее принятой модели вселенной. Новейшая теория о темной материи и темной энергии не противоречит стандартной модели и вместо этого основывается на примечании, которое Эйнштейн сделал для себя все эти годы назад.

Теория, созданная астрофизиком Джейми Фарнсом из Оксфордского университета, объединяет темную материю и темную энергию в единую распространяющуюся субстанцию, известную как темная жидкость. Темная жидкость состоит из отрицательных масс, обладающих отрицательной гравитацией. С положительной, нормальной материей и положительной гравитацией объекты притягивают друг друга. Но объекты с отрицательной массой будут отталкивать материю, так что отталкивание отрицательной массы от вас на самом деле приводит к тому, что она движется ближе, а не дальше. Но это также означает, что две частицы с отрицательной массой будут отталкивать друг друга, явление, которое противоречит общей теории относительности. Эта характеристика отталкивания не подкреплена какими-либо математическими уравнениями и является просто дополнением, сделанным Фарнсом на основе его собственной интуиции. Это, однако, имеет решающее значение для его гипотезы.

Константа Хаббла - это скорость расширения вселенной, но она зависит от того, где вы измеряете. Вселенная рядом с нами расширяется со скоростью 45,6 миль в секунду (73,5 км в секунду) на мегапарсек. Более удаленная фоновая вселенная движется со скоростью 41,6 миль в секунду (67 км в секунду) за мегапарсек.

Эта темная жидкость поможет объяснить образование гало темной материи вокруг галактик. Как таковые, галактики вращаются так быстро, что звезды к внешним областям должны расколоться и рассеяться во вселенной. Это связано с тем, что гравитационное влияние меньше, чем дальше человек отходит от центра галактики, оставляя звезды на окраинах вращаться быстрее и рассеиваться. Но темная материя позволяет галактикам формироваться, поскольку она создает невидимое «гало» вокруг структуры. Наша собственная солнечная система движется сквозь эту темную материю со скоростью 230 км в секунду, воспринимая ее как необнаружимый, быстро движущийся ветер.

Но физики скептически относятся к теории Фарнса по многим причинам, одной из которых является плотность вселенной по мере ее расширения. Если бы темная энергия состояла из отрицательной массы, ее плотность уменьшалась бы по мере расширения вселенной, тогда как исследования показывают, что плотность вселенной остается такой же, как она растет. Чтобы ответить на эту проблему, Фарнс использует другую устоявшуюся идею, известную как «создание материи». Это говорит о том, что материя все время создается по всей вселенной, постоянно наполняя ее все большим количеством отрицательных масс. Эти вновь созданные отрицательные массы заменят те, которые исчезают, сохраняя плотность фиксированной. Но это, в свою очередь, приводит к другой проблеме. Согласно квантовой механике, все стало бы нестабильным, если бы отрицательная масса могла быть создана в космическом вакууме. Насколько мы можем судить, это не так.

Хотя ничто с научной точки зрения не мешает существовать во Вселенной отрицательной массе, ее также никогда не наблюдали за пределами лаборатории. Ученые не уверены, какой естественный механизм позволил бы существовать отрицательной массе, но исследования, проводимые в CERN, и будущие технологии, такие как Square Kilometer Array (проект по созданию крупнейшего в мире радиотелескопа), могут помочь дать концепции Фарнса более прочную основу. На данный момент он основан на некоторых старых идеях и предварительных исследованиях с использованием компьютерного моделирования и математики.

Впечатление художника о том, как будет выглядеть квадратный километраж, когда будет завершено. Начало строительства запланировано на 2019 год, и когда эксплуатация будет в 50 раз более чувствительной, чем у любого другого радиоинструмента.

До сих пор наиболее выдающаяся теория о темной материи предполагает, что это экзотическая частица, которая не взаимодействует со светом, но все же оказывает гравитационное воздействие на окружающие его предметы. Эксперименты на Большом адронном коллайдере продолжают искать редкие частицы, одна из которых может быть ответственна за темную материю. Другие ученые считают, что гравитация в больших масштабах сильно отличается от гравитации, к которой мы привыкли в меньших масштабах, и для решения темной материи нам нужно смотреть на гравитацию с другой точки зрения. Что касается идей о темной энергии, ну, это еще большая загадка, которую мы пытаемся определить.

Хотя теория Фарнса предполагает, что мы - лодки позитивной материи, скользящей по темному текучему морю, она также привлекательна из-за симметрии, которую она обеспечивает. Две из величайших тайн были объединены в одну, и вселенная демонстрирует сбалансированный позитив и негатив. Тот огромный океан темной энергии и темной материи, который так долго ускользал от нас, можно объяснить маленьким элегантным знаком минус.

Модели, которые Фарнс создал до сих пор, являются многообещающими; они объясняют продолжающееся расширение вселенной и некоторые свойства вращения галактики. Коллеги-астрофизики предупреждают, что важно сохранять непредвзятость, когда дело доходит до новых теорий. Они могут быть странными и могут бросать вызов нашим устоявшимся научным представлениям, но многие из наших величайших открытий во вселенной начались именно таким образом - с чувством неверия.